2021, Vol. 19
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舰船上装配有多种大功率电力电子设备，如电动机、电闸、大功率开关器件等。此类设备进行状态切换的瞬间，电压电流会突然改变，从而产生高幅值、窄脉宽的瞬态尖峰电压，严重影响电子设备性能，甚至导致设备烧毁[1-2]。为控制尖峰传导干扰的危害，各国的电磁兼容军用标准都设置了尖峰传导敏感度测试项目[3]。我国编制的国家军用电磁兼容性标准发展了多个版本，从GJB-151-1986到GJB151B-2013[4]，都对电源线尖峰传导敏感度(CS106)项目做出了明确要求。为了覆盖各种使用环境，军用标准编制往往比较全面、通用，适用于一类或各类装备在各种条件下的需求。但特定型号的产品有特定的使用要求和条件，没有必要执行标准规定的全部内容，需要对指标进行剪裁。国内外的实践证明，不经过合理剪裁而盲目使用标准，是导致研制经费增加、进度拖延的重要因素[5]。因此，在实施标准时要具体情况具体分析，对选用的标准进行剪裁，编制适用于特定产品的专用文件。
GJB/Z69-94《军用标准的选用和剪裁导则》[6]中第3.2条给出了剪裁的定义：“对选用标准中的每一项要求进行分析、评估和权衡，确定其对特定产品的适用程度，必要时对其进行修改、删减或补充，并通过有关文件，提出适合于特定产品最低要求的过程。”然而GJB151B-2013并未给出有价值的指导意见。本文围绕舰载导弹CS106指标的剪裁需求，结合工程实际，从指标、剪裁、试验与考核三个部分进行了充分的分析和研究，并给出了剪裁建议。
1 指标分析 1.1 指标简介CS106适用于潜艇和水面舰船设备和分系统的交流和直流输入电源线，不包括地线和回线。CS106测试原理接线见图 1。尖峰信号是一种差模信号。依据GJB151B-2013的要求，在对舰载型导弹进行试验时，供电机箱的CS106项目应在电源线的相线(即火线)串联注入如图 2所示的峰值电压为400 V的尖峰信号，重复频率为每秒5~10次，正负两种极性，每种极性至少持续5 min。
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| Fig.1 Peak signal conduction sensitivity of CS106 power line(series injection) 图 1 CS106电源线尖峰信号传导敏感度(串联注入) |
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| Fig.2 Waveform of CS106 injection spike signal 图 2 CS106注入尖峰信号波形 |
由于2013年设备级产品的电磁兼容标准进行了更新，GJB151A-97[7], GJB151B-2013和行业工程经验对本项目试验要求见表 1。
| 表 1 标准与项目要求 Table 1 Standards and project requirements |
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针对标准提出的裁剪要求，由于各单位对标准的认识不同，存在试验考核差异较大的问题，考核对象和试验限值均不一致。
2 裁剪分析CS106项目对导弹的考核应覆盖舰载值班状态和导弹飞行状态。对于导弹状态，由于与电网间接相连，经发射控制设备的复杂网络后到达导弹的响应信号强度实际应小于GJB151B-2013中给出的信号强度。按照GJB151B-2013第4.1节的裁剪要求，当具体电磁环境和工程分析表明本标准不完全适用时，应依据其具体应用情况对本项目要求进行裁剪。裁剪分析按照频域滤波和时域仿真两种方法进行。频域滤波方法首先通过傅里叶变换分析CS106试验信号的频谱，然后分析电源主要模块的滤波特性(波特图)，最后将滤波后的频谱图逆傅里叶变换得到其时域响应。时域方法通过Multisim软件直接仿真重要模块的响应特性。
2.1 发控电源设备频域滤波分析 2.1.1 场和路的分析尖峰信号脉宽t=5 μs，因此其理论传播波长λ=ct=1 500 m，发射控制设备电网接入端到导弹供电电源线末端最长距离L≈100 m，可得：L < λ/10。可见此响应仍为t与Up的二维时变信号，因此可以对信号响应情况采用集总参数进行分析。
对于总能量有限的浪涌、单脉冲等信号，该信号的脉冲宽度相对于测量时间而言很短，可以视为能量信号，具有连续频谱，因此可以用傅里叶变换法来分析[8-9]，其Matlab仿真时域信号见图 3。经傅里叶分析，其频谱图见图 4，可见其频谱范围主要在10 Hz~400 kHz，其能量主要集中在10 Hz~200 kHz。
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| Fig.3 Time domain signal 图 3 时域信号 |
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| Fig.4 Spike signal spectrum 图 4 尖峰信号频谱图 |
1) 发射控制设备供电机箱整体EMI策略
在整套供电机箱中，功率走向如图 5所示。一般情况下，输入三相电力经三相EMI滤波器分别给3个AC-DC电源模块供电，每个AC-DC电源模块的输入均为2根相线；AC-DC电源模块将输入380 V交流电转换为DC 300 V给后端的DC-DC电源模块供电，DC-DC电源模块按功能不同将DC 300 V转换为DC 29~32 V的电力给后端负载供电。图 5中供电机箱总输入端有电磁干扰(Electro Magnetic Interference，EMI)滤波器，EMI滤波器结构及典型插入损耗(Insertion Loss，IL)见图 6。滤波器对尖峰信号差模滤波作用主要集中在30 kHz以上，由于尖峰信号峰值能量(3 dB带宽)主要分布在100 Hz~13 kHz，所以滤波器对尖峰信号抑制作用可忽略，在滤波分析中不再考虑。
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| Fig.5 Block diagram of power supply chassis 图 5 供电机箱原理框图 |
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| Fig.6 EMI filter structure and insertion loss characteristics 图 6 EMI滤波器结构及插入损耗特性 |
2) AC-DC电源模块EMI策略
在AC-DC电源模块中，交流输入端设计有EMI滤波电路，电路见图 7。输入380 V经由Cx1, L6A/L6B, Cx2及Cy1, Cy2组成的EMI电路后给后端电路供电。在Multisim中可以仿真AC- DC电源模块EMI滤波电路波特，见图 8。波特图为对数坐标系，由图可见在100 kHz附近的抑制比约为−60 dB，在7 kHz附近的抑制比约为−10 dB，求斜率可得滤波特性约为−40 dB/10倍频。
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| Fig.7 Input EMI filter circuit of AC-DC power module 图 7 AC-DC电源模块的输入EMI滤波电路 |
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| Fig.8 Bode diagram of EMI filter circuit of AC-DC power module 图 8 AC-DC电源模块EMI滤波电路的波特图 |
3) DC-DC电源模块EMI策略
DC-DC电源模块的输入端EMI电路见图 9。DC-DC电源模块是AC-DC电源模块的后级，在供电机箱中，DC-DC电源模块的EMI处理处于第3级的位置，而且DC-DC电源模块的输入为直流，AC-DC电源模块中的滤波电容折算到DC-DC电源模块的输入端至少相当于2 800 μF，在供电机箱输入端注入的尖峰信号很难影响到后级。在供电机箱的CS106测试中，经过供电机箱输入端三相EMI滤波器、AC-DC电源模块的EMI电路和隔离变压器及后端整流滤波电路，事实上已影响不到DC-DC电源模块及后端负载。DC-DC电源模块滤波电路的波特见图 10。由波特图可见，在100 kHz附近的抑制比约为−60 dB，在7 kHz附近的抑制比约为−10 dB，滤波特性约为−40 dB/10倍频。
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| Fig.9 Input EMI filter circuit of DC-DC power module 图 9 DC-DC电源模块的输入EMI滤波电路 |
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| Fig.10 Bode plot of EMI filter circuit of DC-DC power module 图 10 DC-DC电源模块EMI滤波电路的波特图 |
供电机箱中总计有3段EMI滤波电路：输入总EMI滤波器、AC-DC电源模块的EMI滤波器及隔离变压器、DC-DC电源模块的EMI滤波器及隔离变压器，在逆傅里叶变换中主要考虑后两级模块的滤波作用。两级滤波的传递系数、经两级滤波后其频谱信号、经傅里叶逆变换后其信号形式见图 11，由图可见，经AC-DC和DC-DC两级滤波后其信号电压强度已经小于相电压的3%，下降至10 V左右的纹波水平。
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| Fig.11 Filtering process 图 11 滤波过程图 |
对AC-DC模块进行时域仿真分析，在Multisim仿真电路中输入串联注入尖峰信号后，EMI电路输入输出波形见图 12。由图可见，输入的尖峰信号在经过EMI滤波器后已下降至纹波水平。单独通过AC-DC模块的转换过程，其滤波效果已经十分明显。
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| Fig.12 Simulation analysis of time domain filtering 图 12 时域滤波仿真分析图 |
采用频域分析方法分析了两级滤波后的形式，采用时域分析方法分析了AC-DC单级滤波后的形式，通过上述分析可见，采用时域和频域两种分析方法得到的分析结果基本一致。由于发射控制设备电源模块对尖峰信号的抑制作用，经其复杂网络后到达导弹的响应信号强度实际远小于GJB151B-2013中给出的信号强度，其电压强度下降至可忽略水平。
3 试验与考核经试验验证，尖峰信号经过发射控制设备电源模块后，由于发射控制设备电源模块对尖峰信号的抑制作用，实际响应信号对导弹的影响可忽略不计。通过理论分析和试验表明，对于舰载导弹状态，无进行此试验项目的必要。导弹飞行状态重点考核弹上设备，参照GJB151A-97对空间系统的要求进行考核，详细试验要求见表 2。
| 表 2 CS106试验要求 Table 2 CS106 test requirements |
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进行舰载导弹电源线尖峰传导敏感度测试的首要任务是通过指标剪裁，编制满足型号要求的指标文件。本文围绕舰载导弹CS106指标的剪裁需求，分析了该指标的测试原理，结合具体应用情况从频率滤波和时域仿真两个角度进行了分析和仿真。结果表明，由于舰载导弹发射控制设备电源模块对尖峰信号的抑制作用明显，无进行此试验项目的必要。最后给出了裁剪后的舰载导弹CS106试验要求。
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